一種整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括空分裝置，空分裝置的出口接氣化爐入口，氣化爐出口通過高溫?fù)Q熱器、顆粒物脫除裝置、脫硫裝置、汞脫除裝置、水汽變換裝置連接余熱回收器后再連接熔融碳酸鹽燃料電池陽極入口，熔融碳酸鹽燃料電池輸出通過DC/AC轉(zhuǎn)換器接交流電網(wǎng)或電器，從氣化爐出來的合成氣經(jīng)過高溫?fù)Q熱器、回收熱量，再經(jīng)過煤氣凈化后通入高溫熔融碳酸鹽燃料電池；而空氣首先通過壓縮機(jī)增壓，在高溫?fù)Q熱器和低溫?fù)Q熱器加熱后推動透平發(fā)電，充分利用熱量轉(zhuǎn)化為電能，本發(fā)明提高系統(tǒng)熱量利用率和系統(tǒng)效率。
【專利說明】一種整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熔融碳酸鹽燃料電池【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell1MCFC)具有發(fā)電效率高、污染排放低以及燃料適應(yīng)性廣等多方面優(yōu)點(diǎn)。在發(fā)電站、軍事以及航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。熔融碳酸鹽燃料電池在650°C的高溫條件下運(yùn)行，電池堆產(chǎn)生的廢氣可以與小型燃?xì)廨啓C(jī)組成聯(lián)合循環(huán)，進(jìn)一步回收熱量，系統(tǒng)發(fā)電效率達(dá)到50%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于火力發(fā)電廠。由于具有噪音和污染物的排放量很低的優(yōu)點(diǎn)，熔融碳酸鹽燃料電池作為分布式電源可安放于辦公大樓、醫(yī)院等附近供電。
[0003]熔融碳酸鹽燃料電池的燃料比較靈活，可以用合成煤氣、天然氣、富氫氣體、化工廠含碳或氫的馳放氣作為燃料，對煤等化石燃料的依存度不高。熔融碳酸鹽燃料電池與煤氣化技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建整體煤氣化燃料電池(Integrated Gasificat1n Fuel Cell, IGFC)發(fā)電系統(tǒng)，不僅使燃料電池發(fā)電的容量和效率增加，也可以實(shí)現(xiàn)煤炭資源的清潔利用，是21世紀(jì)潔凈煤發(fā)電技術(shù)的一個重要方向。
[0004]目前針對IGFC系統(tǒng)的研究仍處于發(fā)展示范階段。2001年，美國建成凱姆登前置燃料電池的大型煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站項目，該發(fā)電系統(tǒng)是一個前置熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)的大型煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站(IGCC)，但是由于熔融碳酸鹽燃料電池需要工作在高壓之下，使得電池壽命大大降低。為了提高電池的運(yùn)行特性，2003年美國肯塔基先進(jìn)能源與Fuel Cell Energy公司合作，在Wabash river IGCC電站不范IGFC發(fā)電系統(tǒng)，MCFC為后置電池系統(tǒng)，功率達(dá)到2MW。國內(nèi)，上海交通大學(xué)也提出了熔融碳酸鹽燃料電池燃?xì)廨啓C(jī)頂層循環(huán)和底層循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)，并進(jìn)一步提出與制熱和制冷相結(jié)合的冷熱電三聯(lián)供熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)。但是在已有的研究中，碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)均作為一個獨(dú)立的模塊，未能考慮到整個系統(tǒng)中熱量的有效利用。因此，在保持燃料電池發(fā)電效率一定的條件下，進(jìn)一步提聞系統(tǒng)的熱利用效率，將能夠進(jìn)一步提聞系統(tǒng)效率。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，提高系統(tǒng)熱量利用率和系統(tǒng)效率。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的系統(tǒng)方案為:
[0007]—種整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括空分裝置1，空分裝置I的入口通入空氣，空分裝置I的氧氣出口接氣化爐2的氧氣入口，空分裝置I的氮?dú)獬隹诮拥獨(dú)鈨Υ嫜b置，氣化爐2的煤入口加入煤，氣化爐2的高溫氣體出口連接至高溫?fù)Q熱器3的高溫氣體入口，高溫?fù)Q熱器3的低溫氣體入口接壓縮機(jī)13的出口，壓縮機(jī)13的入口通入空氣，高溫?fù)Q熱器3的高溫氣體出口連接顆粒物脫除裝置4的入口，高溫?fù)Q熱器3的低溫氣體出口連接低溫?fù)Q熱器11的低溫氣體入口，顆粒物脫除裝置4的出口連接脫硫裝置5的入口，脫硫裝置5的出口連接汞脫除裝置6的入口，汞脫除裝置6的出口連接水汽變換裝置7的入口，水汽變換裝置7的出口連接余熱回收器10的低溫氣體入口，余熱回收器10的低溫氣體出口連接熔融碳酸鹽燃料電池8陽極入口，余熱回收器10的高溫氣體入口接熔融碳酸鹽燃料電池8陰極出口，余熱回收器10的高溫氣體出口為廢氣，排空，熔融碳酸鹽燃料電池8陽極出口連接催化燃燒器9的第一入口，熔融碳酸鹽燃料電池8陰極入口連接低溫?fù)Q熱器11高溫氣體出口，熔融碳酸鹽燃料電池8輸出電能連接DC/AC轉(zhuǎn)換器12的入口，DC/AC轉(zhuǎn)換器12出口接交流電網(wǎng)或電器，催化燃燒器9出口連接低溫?fù)Q熱器11高溫氣體入口，低溫?fù)Q熱器11的低溫氣體出口接透平14的入口，透平14的出口連接催化燃燒器9的第二入口，發(fā)電機(jī)15與透平14同軸連接產(chǎn)出電能。
[0008]所述空分裝置I通過深冷法將空氣中的氧氣和氮?dú)膺M(jìn)行分離，氧氣被輸送至氣化爐2中。
[0009]所述氣化爐2內(nèi)反應(yīng)生成合成氣，合成氣主要成為是H2、H20、C0、C02、CH4、H2S、C0S
坐寸ο
[0010]所述高溫?fù)Q熱器3、余熱回收器10和低溫?fù)Q熱器11包括高溫氣體流道和低溫氣體流道，高溫氣體和低溫氣體被換熱片隔開并通過換熱片交換熱量。
[0011]所述顆粒物脫除裝置4采用袋式除塵器或電除塵器，脫除合成氣中的顆粒物，使得礦塵含量小于200mg/Nm3。
[0012]所述脫硫裝置5采用低溫甲醇法或NHD法，使得出口處H2S、COS含量小于lppm。
[0013]所述汞脫除裝置6采用活性炭法脫除合成氣中的汞，使得出口氣體中汞含量低于
0.03mg/Nm3。
[0014]所述水汽變換裝置7采用催化劑將合成氣中的CO與H2O反應(yīng)生成CO2和H2,使得出口氣體中CO比例低于0.5%。
[0015]所述熔融碳酸鹽燃料電池8由陽極、陰極、電解質(zhì)隔膜組成，陰極和陽極分別在電解質(zhì)隔膜兩側(cè)，燃料和氧化劑分別通入到陽極和陰極腔室中，并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能和熱量，電池工作溫度在650°C，電池的規(guī)模通過多個電池堆串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。
[0016]所述催化燃燒器9通過催化劑使得氣體中的H2與O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成H2O并釋放熱量。
[0017]所述壓縮機(jī)13、透平14和發(fā)電機(jī)15安裝到同一根軸上，透平14在高壓高溫氣體的沖擊下轉(zhuǎn)動帶動壓縮機(jī)13和發(fā)電機(jī)15轉(zhuǎn)動，壓縮機(jī)13增加使得空氣的壓力由常壓增大至IMpa以上，發(fā)電機(jī)15則產(chǎn)生電能。
[0018]本發(fā)明與已有的技術(shù)相比，充分地利用了合成氣的熱量用來加熱高壓空氣，并最終通過透平做功，充分地利用了系統(tǒng)中的熱量。與此同時采用發(fā)電效率高的高溫熔融碳酸鹽燃料電池，從而能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭資源的清潔高效利用，發(fā)電效率可達(dá)50%以上，污染物排放大大降低，顆粒物< 4.5mg/Nm3> SO2 < 20mg/Nm3> NOx < 30mg/Nm3> Hg<0.003mg/Nm3。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]附圖是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0021]參照附圖，一種整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括空分裝置1，空分裝置I的入口通入空氣，空分裝置I的氧氣出口接氣化爐2的氧氣入口，空分裝置I的氮?dú)獬隹诮拥獨(dú)鈨Υ嫜b置，氣化爐2的煤入口加入煤，氣化爐2的高溫氣體出口連接至高溫?fù)Q熱器3的高溫氣體入口，高溫?fù)Q熱器3的低溫氣體入口接壓縮機(jī)13的出口，壓縮機(jī)13的入口通入空氣，高溫?fù)Q熱器3的高溫氣體出口連接顆粒物脫除裝置4的入口，高溫?fù)Q熱器3的低溫氣體出口連接低溫?fù)Q熱器11的低溫氣體入口，顆粒物脫除裝置4的出口連接脫硫裝置5的入口，脫硫裝置5的出口連接汞脫除裝置6的入口，汞脫除裝置6的出口連接水汽變換裝置7的入口，水汽變換裝置7的出口連接余熱回收器10的低溫氣體入口，余熱回收器10的低溫氣體出口連接熔融碳酸鹽燃料電池8陽極入口，余熱回收器10的高溫氣體入口接熔融碳酸鹽燃料電池8陰極出口，余熱回收器10的高溫氣體出口為廢氣，排空，熔融碳酸鹽燃料電池8陽極出口連接催化燃燒器9的第一入口，熔融碳酸鹽燃料電池8陰極入口連接低溫?fù)Q熱器11高溫氣體出口，熔融碳酸鹽燃料電池8輸出電能連接DC/AC轉(zhuǎn)換器12的入口，DC/AC轉(zhuǎn)換器12出口接交流電網(wǎng)或電器，催化燃燒器9出口連接低溫?fù)Q熱器11高溫氣體入口，低溫?fù)Q熱器11的低溫氣體出口接透平14的入口，透平14的出口連接催化燃燒器9的第二入口，發(fā)電機(jī)15與透平14同軸連接產(chǎn)出電能。
[0022]所述空分裝置I通過深冷法將空氣中的氧氣和氮?dú)膺M(jìn)行分離，氧氣被輸送至氣化爐2中。
[0023]所述氣化爐2內(nèi)反應(yīng)生成合成氣，合成氣主要成為是H2、H20、C0、C02、CH4、H2S、C0S
坐寸ο
[0024]所述高溫?fù)Q熱器3、余熱回收器10和低溫?fù)Q熱器11包括高溫氣體流道和低溫氣體流道，高溫氣體和低溫氣體被換熱片隔開并通過換熱片交換熱量。
[0025]所述顆粒物脫除裝置4采用袋式除塵器或電除塵器，脫除合成氣中的顆粒物，使得礦塵含量小于200mg/Nm3。
[0026]所述脫硫裝置5采用低溫甲醇法或NHD法，使得出口處H2S、COS含量小于lppm。
[0027]所述汞脫除裝置6采用活性炭法脫除合成氣中的汞，使得出口氣體中汞含量低于
0.03mg/Nm3。
[0028]所述水汽變換裝置7采用催化劑將合成氣中的CO與H2O反應(yīng)生成CO2和H2,使得出口氣體中CO比例低于0.5%。
[0029]所述熔融碳酸鹽燃料電池8由陽極、陰極、電解質(zhì)隔膜組成，陰極和陽極分別在電解質(zhì)隔膜兩側(cè)，燃料和氧化劑分別通入到陽極和陰極腔室中，并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能和熱量，電池工作溫度在650°C，電池的規(guī)模通過多個電池堆串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。
[0030]所述催化燃燒器9通過催化劑使得氣體中的H2與O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成H2O并釋放熱量。
[0031]所述壓縮機(jī)13、透平14和發(fā)電機(jī)15安裝到同一根軸上，透平14在高壓高溫氣體的沖擊下轉(zhuǎn)動帶動壓縮機(jī)13和發(fā)電機(jī)15轉(zhuǎn)動，壓縮機(jī)13增加使得空氣的壓力由常壓增大至IMpa以上，發(fā)電機(jī)15則產(chǎn)生電能。
[0032]本發(fā)明的工作原理為:煤和氧氣通入氣化爐2產(chǎn)生合成氣，合成氣的溫度為900°C，組分為C0>40%，H2>30%, C022 3%。合成氣首先經(jīng)過高溫?fù)Q熱器3換熱，溫度降低至100°C以下，然后通入電除塵裝置4，使得顆粒物成分低于200mg/Nm3 ;再通入脫硫裝置5，使得H2S和COS濃度低于Ippm ;再通入汞脫除裝置6，使氣體中汞含量低于0.3mg/Nm3,接著通過水汽變換裝置7將合成氣轉(zhuǎn)化為H2和CO2,使得CO比例低于0.5%，然后經(jīng)過余熱回收器10預(yù)熱燃料氣至300°C以上，最后通入到熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)S的陽極，與此同時，空氣通過壓縮機(jī)13至5Mpa，接著經(jīng)過高溫?fù)Q熱器3、低溫?fù)Q熱器11提高空氣的溫度至800°C以上，然后空氣通過透平14做功而降溫降壓，并進(jìn)一步通入到催化燃燒器9中與熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)8陽極出口氣體中未反應(yīng)的H2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)放出熱量，提高氣體溫度至900°C以上，然后通過低溫?fù)Q熱器11降溫后通入熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)S陰極腔室，燃料和氧化劑在熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)8內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生直流電，經(jīng)過DC/AC轉(zhuǎn)化器12轉(zhuǎn)化為交流電。
【權(quán)利要求】
1.一種整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括空分裝置(1)，其特征在于:空分裝置(1)的入口通入空氣，空分裝置(1)的氧氣出口接氣化爐(2)的氧氣入口，空分裝置(1)的氮?dú)獬隹诮拥獨(dú)鈨Υ嫜b置，氣化爐(2)的煤入口加入煤，氣化爐(2)的高溫氣體出口連接至高溫?fù)Q熱器(3)的高溫氣體入口，高溫?fù)Q熱器(3)的低溫氣體入口接壓縮機(jī)(13)的出口，壓縮機(jī)(13)的入口通入空氣，高溫?fù)Q熱器(3)的高溫氣體出口連接顆粒物脫除裝置(4)的入口，高溫?fù)Q熱器(3)的低溫氣體出口連接低溫?fù)Q熱器(11)的低溫氣體入口，顆粒物脫除裝置(4)的出口連接脫硫裝置(5)的入口，脫硫裝置(5)的出口連接汞脫除裝置(6)的入口，汞脫除裝置￠)的出口連接水汽變換裝置(7)的入口，水汽變換裝置(7)的出口連接余熱回收器(10)的低溫氣體入口，余熱回收器(10)的低溫氣體出口連接熔融碳酸鹽燃料電池(8)陽極入口，余熱回收器(10)的高溫氣體入口接熔融碳酸鹽燃料電池⑶陰極出口，余熱回收器(10)的高溫氣體出口為廢氣，排空，熔融碳酸鹽燃料電池⑶陽極出口連接催化燃燒器(9)的第一入口，熔融碳酸鹽燃料電池⑶陰極入口連接低溫?fù)Q熱器(11)高溫氣體出口，熔融碳酸鹽燃料電池⑶輸出電能連接DC/AC轉(zhuǎn)換器(12)的入口，DC/AC轉(zhuǎn)換器(12)出口接交流電網(wǎng)或電器，催化燃燒器(9)出口連接低溫?fù)Q熱器(11)高溫氣體入口，低溫?fù)Q熱器(11)的低溫氣體出口接透平(14)的入口，透平(14)的出口連接催化燃燒器(9)的第二入口，發(fā)電機(jī)(15)與透平(14)同軸連接產(chǎn)出電能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述高溫?fù)Q熱器(3)、余熱回收器(10)和低溫?fù)Q熱器(11)包括高溫氣體流道和低溫氣體流道，高溫氣體和低溫氣體被換熱片隔開并通過換熱片交換熱量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述顆粒物脫除裝置(4)采用袋式除塵器或電除塵器，脫除合成氣中的顆粒物，使得礦塵含量小于200mg/Nm3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述脫硫裝置(5)采用低溫甲醇法或NHD法，使得出口處H2S、COS含量小于lppm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述汞脫除裝置(6)采用活性炭法脫除合成氣中的汞，使得出口氣體中汞含量低于0.03mg/Nm3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述水汽變換裝置(7)采用催化劑將合成氣中的C0與H20反應(yīng)生成C02和H2，使得出口氣體中C0比例低于0.5%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述熔融碳酸鹽燃料電池(8)由陽極、陰極、電解質(zhì)隔膜組成，陰極和陽極分別在電解質(zhì)隔膜兩側(cè)，燃料和氧化劑分別通入到陽極和陰極腔室中，并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能和熱量，電池工作溫度在650°C，電池的規(guī)模通過多個電池堆串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述壓縮機(jī)(13)、透平(14)和發(fā)電機(jī)(15)安裝到同一根軸上，透平(14)在高壓高溫氣體的沖擊下轉(zhuǎn)動帶動壓縮機(jī)(13)和發(fā)電機(jī)(15)轉(zhuǎn)動，壓縮機(jī)(13)增加使得空氣的壓力由常壓增大至IMpa以上，發(fā)電機(jī)(15)則產(chǎn)生電能。
【文檔編號】H01M8/22GK104377375SQ201410608387
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】許世森, 王洪建, 程健, 張瑞云, 王鵬杰, 任永強(qiáng) 申請人:中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司